（通信与信息系统专业论文）torus交换结构的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 随着光网络的迅速发展，直接在光层承载分组业务的需求越来越大。作为一 种新型的光交换技术，光突发交换( o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g , o b s ) 比传统的波长 路由技术能更有效地支持突发性强的分组业务，同时又比光分组交换更具可实现 性，因此受到广泛关注。o b s 核心交换节点的设计必须在保证一定的交换性能的 同时，尽量降低光器件成本。本文提出了一种类t o m s 的新型光突发交换结构，该 结构有效地克服了使用光纤延迟线或光缓存等器件所导致的内部阻塞问题，提高 了交换结构的吞吐量；同时，与具有相似性能的交换结构相比，该结构所需要的 光器件较少，成本较低。通过对比仿真实验，结果验证了该结构的优越性。同时， 由于t o m s 交换结构的优越性，不仅仅是在光域，用于电的交换也是如此，因此有 必要对t o m s 交换网络中单节点的设计进行研究。 本文首先对光突发交换网络的基本概念和原理进行了描述，在此基础上介绍了 o b s 系统的结构与工作流程，然后对系统中的重要组成部分一核心节点的结构、 功能等做出祥述。并结合设计指标对几个关键参数进行了分析。 o b s 核心节点的交换结构有许多值得借鉴的技术，本文给出了一些基本的交 换结构设计方案，并对每种交换结构的性能、优缺点作了简要的说明。 然后本文给出o b s 核心节点交换结构方面的一些工作；对类t o m s 交换结构 的设计方案进行了的详细阐述，绘出了设计原理图和调度算法，并通过仿真比较 了各种交换结构的性能。仿真证明类t o m s 交换结构性能优越，有效地节省了光器 件的开销。 最后，基于t o m s 交换结构的优越性，我们对t o r u s 交换网络中单节点的设计 作了一些研究，特别是关于微片大小和入口处的缓存管理作了改进，实验证明该 方案有效可行，有利于工程实现。 关键词：光突发交换，核心节点，交换结构，缓存 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ef a s td e v e l o p m e n to fo p t i c a ln e t w o r km a k e st h ed e m a n df o rd i r e c to p t i c a l p a c k e tt r a n s m i s s i o nb e c o m eb i g g e ra n db i g g e r a san e wt y p eo fo p t i c a ls w i t c h i n g t e c h n o l o g y , o p t i c a lb u r s ts w i t c h i n ga t t r a c t sm u c ha t t e n t i o nd u et oi tc a ne f f c c t l y s u p p o r tp a r o x y s m a lp a c k e tt r a n s m i s s i o nc o m p 缸e dw i t ht r a d i t i o n a lo p t i c a lc i r c u i t s w i t c h i n ga n di t i sm o r er e a l i z a b l ec o m p a r e dw i t ho p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g t h e d e s i g nf o rt h ec o r en o d eo fo b sm u s te n s u r es w i t c hp e r f o r m a n c ea n ds y n c h r o n o u s l y r e d u c et h ec o s tf o ro p t i c a lc o m p o n e n t s t h ep a p e r p u t sf o r w a r dan e ws w i t c hf a b d c , i t c a ne f f e c t i v e l yo v e r c o m et h ei n n e rb l o c kc a u s e db yu s i n go p t i c a lf i b e rd e l a yl i n ea n d i m p r o v et h r o u g h p u t i ta l s ou s e sl e s so p t i c a lc o m p o n e n t sa n dl o w e rc o s tc o m p a r e dw i t h o t h e rs w i t c hf a b r i c s w ed os o m es i m u l a t i o n sa n dv a l i d a t ei t ss u p e r i o r i t yt h r o u g ht h e r e s u l t s b e c a u s et o m ss w i t c hf a b r i cp e r f o r m sw e l ln o to n l yi no p t i c a ld o m a i nb u ta l s o i ne l e 虻 t r i c a ld o m a i n , i ti sn e c e s s a r yt od os o m er e s e a r c ho nt h ed e s i g no fs i n g i en o d ei n t o m ss w i t c hn c t w o r k f i r s t ，t h i sp a p e rd e s c r i b e st h eb a s i cc o n c e p ta n dp r i n c i p l e so ft h eo p t i c a lb u r s t s w i t c h i n gn e t w o r k ，a n db a s eo nt h eb a s i cc o n c e p tt h ep a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r ea n d f l o wp r o c e s so ft h eo b ss y s t e m t h e ni td e s c r i b e st h ei m p o r t a n tp a r to ft h eo b s s y s t e m - t h es t r u c t u r eo f t h ec o r en o d e , t h ef u n c t i o n e r e c o m b i n i n gt h ed e s i g ni n d e x ， t h ep a p e ra l s oa n a l y z e saf e w k e yp a r a m e t e r s t h e r ea r em a n yt e c h n i q u e su s e df o rr e f e r e n c eo ns w i t c hf a b r i cf o rt h eg o r en o d e o f o b s t h ep a p e rg i v e ss o l n eb a s i cd e s i g ns c h e m e ，a n de x p l a i n st h ep e o f o r m a n c 圯a n d c h a r a c t e r i s t i cf o re a c hs w i t c hf a b r i c t h e nt h ep a p e rg i v e ss o m ew o r k so ns w i t c hf a b r i cf o rt h ec o r en o d eo fo b s w e e x p a t i a t et h ed e s i g ns c h e m ea n ds c h e d u l ea l g o r i t h m , a n dt h e nc o m p a r ei t sp e r f o 册锄c e w i t ho t h e rs w i t c hf a b d e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t s p r o v et h a tt o r u ss w i t c hf a b r i c p e r f o r m sw e l la n ds a v e st h es p e n d i n go f o p t i c a lc o m p o n e n t s f i n a l l y , w ed os o m er e s e a r c ho nt h es i n g l en o d ei nt o m ss w i t c hn e t w o r k , e s p e c i a l l yo nt h ef l i ts i z ea n db u f f e rm a n a g e m e n t t h et e s tp r o v e st h a tt h es c h e m ei s i i a b s t r a c t e f f e c t i v ea n di tc a l lb ep r o p i t i o u st oi m p l e m e n to ne n g i n e e r i n g k e y w o r d s ：o b s ，c o r en o d e ，s w i t c hf a b r i c ，b u f f e r i i i 图目录 图目录 图1 - 1o b s 网络示意图2 图1 2 几种信令方案的示意图5 图2 1 前馈连接，入端口共享f d l 缓存池9 图2 - 2 前馈连接，入端口采用专用f d l 1 0 图2 3 反馈连接1l 图2 4 多平面连接1 2 图2 - 5m x p x p + t w c + f d l 结构示意图1 2 图3 1f d l 的基本结构1 5 图3 - 2 几种f d l 池结构 图3 - 3 单环型f d l 图3 4 双环型f d l 1 6 1 7 图3 54 x 3 x 2t o r u s 网络1 8 图3 - 6 一维t o m s 核心节点交换结构1 9 图3 7 一维t o m s 缓存平面内部结构一单环2 0 图3 - 8 一维t o m s 缓存平面内部结构一双环2 0 图3 - 9 一维t o m s 基本调度流程2 l 图3 1 0 一维t o n 塔一单环缓存平面内部调度流程2 2 图3 1 1 一维t o r u s - - 3 叹环缓存平面内部调度流程2 3 图3 1 2 二维t o r u s 核心节点交换结构2 4 图3 1 3 二维t o m s 缓存平面内部结构一单环2 5 图3 1 4 二维t o m s 缓存平面之间光开关的连接一单环2 5 图3 1 5 二维t o m s 缓存平面内部结构一双环。 图3 1 6 二维t o m s 缓存平面之间光开关的连接一双环。 2 6 2 6 图3 1 7 二维t o m s 突发数据包的缓存路径示意图2 8 图4 1 仿真拓扑结构2 9 图4 2 边缘节点结构图3 0 图4 3 核心节点结构图3 1 图4 4p _ 0 模块状态转移图 3 1 图目录 图禾5 利用1 2 开关构造l x n 开关示意图3 3 图4 6 利用1x n 开关构造n x n 开关示意图3 3 图5 1 虫孔路由3 7 图5 2 节点的缓存组织形式3 8 图5 3t o r u s 交换网络中虫孔路由的微片格式3 9 图5 - 4m a t l a b 仿真结果4 0 图5 5t o m s 网络单节点的交换结构4 1 图5 - 6 在不同负载下v c 缓存资源的占用情况4 2 图5 7 动态缓存内部结构图4 3 图5 8 动态v c 缓存的状态机转换图4 4 v 表目录 表目录 表4 1p - o 模块状态3 2 表4 2 配置t w c + f d l 各种核心交换模块的成本比较3 4 表禾3 配置t w c 和f d l 时各种核心交换模块的性能比较3 5 表5 - 1i p 网络中分组长度分布 缩略词表 英文缩写 a n 讧 b d p b 髓 c r c d w d m e d a f d d i f d l f i f o f p g a g k 陴l s 口 j e t j r r l a u c l o b s m p l s n g n o b s o c s 0 p s o b ，e o q o s r a m s o n e t 缩略词表 英文全称 a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e b u r s td a t ap a c k e t b u r s th e a d e rp a c k e t c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k d e n s i t yw a v e l e n g t h d i v i s i o n m u l t i p l e x i n g e 1 e ：c - t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n f i b o rd i s t r i b u t e dd a t ai n t e r f a c e f i b e rd e l a yl i n e f i r s t i nf i r s t - o u t f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y g e n e r a l i z e d m u l t i p l ep r o t o c o l l a b e l s w i t c h i n g i n t e m e tp r o t o c o l j u s te n o u g ht i m e j u s t i n t u n e l a t e s t a v a i l a b l eu n s 曲e d l l 】e dc b a n n d l a b e lo p t i c a lb u r s ts w i t c h i n g m u l t i p l ep r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k 0 p d c 8 lb u r s ts w i t c h i n g o p t i c a lc i r c u i ts w i t c h i n g o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g o p t i c a l t o e 1 c c t r o n i c e 1 e c t r o n i c t o o p t i c a l q u a l i t yo f s e r v i c e r a n d o ma c c e s sm e m o r y s y n c h r o n o u so p t i c a ln e t w o r k i x 中文释义 异步传输模式 突发数据分组 突发控制分组 循环冗余校验 密集波分复用 电子设计自动化 光纤分布式数据接口 光纤延迟线 先进先出队列 现场可编程门阵列 广义多协议标签交换 网际协议 恰量时间协议 标签光突发交换 多协议标签交换 下一代网络 光突发交换 光路交换 光分组交换 光电电光转换 服务质量 随机存取存储器 同步光纤网 缩略词表 s d h t w c v c v h d l s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y t u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r v i r t u a lc h a n n e l v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e d h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e x 同步数字序列 光波长变换器 虚通道 c i r c u i t s 高速集成电路硬件描述 语言 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盏溘毯日期：研年6 月l 期 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：叠盗毯 导师签名：盘聋 日期：到呵年月l r 日 第一章绪论 1 1课题背景 第一章绪论 随着网络技术的拓展深入，近年来网络中的业务数据量呈爆炸式增长，网络 带宽的需求越来越大，波分复用( w d m ，w a v e l e n g t hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 【l 】被广 泛采用。密集波分复用( d w d m ) 2 1 技术更为通信网络提供了巨大的传输容量，逐 步成为主流传输技术。 但是当前w d m 仅仅是工作于骨干网，实现点到点连接，口业务仍然是采用 i po v a a t m 或i po v e rs d h 的多层网络结构方式进行。这种方式不但存在着层次 功能重叠，而且带来的额外开销巨大；并且在网络中间节点的处理需要进行o e o 的转换，由于电子瓶颈的存在，网络速度受限。因此有必要减少层次结构，i po v e r w d m 技术有望满足需求。 i p o v e l w d m 光网络有三种方案：光路交换o c s t 习( o p t i c a l c i r c u i t s w i t c h i n g ) ， 光分组交换o p s 4 1 ( o p t i c a lp a c k e ts w i t c h i n g ) ，光突发交换o b s ( o p t i e a lb u r s t s w i t c h i n g ) 。其中光路交换也就是光的波长路由交换方案，本质上是一种光层的电 路交换，其处理颗粒和带宽分配策略并不适合承载突发性的口业务，不是理想的 承载方案。光分组交换光分组交换直接在光域进行层间适配，丢弃了电适配层， 简化了网络的控制，提高了操作效率，真正实现了口层与光层的紧密结合。是理 想的承载方案。但是由于缺乏高速光逻辑器件、光缓冲存储器等，因此还处于理 论研究阶段。 基于这种背景，作为一种居中方案的o b s 技术脱颖而出。o b s 技术在支持分 组业务的性能上高于o c s ，而实现难度( 尤其是对光器件技术的要求) 低于o p s ， 是一种很有发展潜力的交换模式，得到了广泛的关注。 1 2o b s 技术简述 1 2 1o b s 的基本原理 电子科技大学硕士学位论文 图1 - io b s 网络示意图 如图1 - 1 所示，o b s 网络是由处于网络边缘的边缘节点，位于网络中心的核 心节点以及波分复用( w d m ) 的链路组成。分组在网络入口处被组装成突发数据， 经过核心节点的交换，然后在网络的出口处被分解成分组，并被转发到下一跳 ( h o p ：即节点) 。边缘路由器提供突发数据分组( 简称b u r s t ) 的组装和拆分功 能，并且提供了各种网络接口( 如：g i g a b i t e t h e r n e t , p a c k e t o v e r s o n e t ( p o s ) ，a t m 甚至s d h 等) ，使之可以和其他协议类型的网络互联。光核心路由器主要由光交 换结构和交换控制单元( s w i t c hc o n t r o lu n i t ) 组成。 o b s 网络中的基本交换单位是b u r s t 。突发分组是由一些口包组成的超长数 据包。组成突发的球分组具有相同的出口边缘路由器地址，以及相同的服务质量 ( q o s ) 要求。每一个b u r s t 均有与其一一对应的控制分组，称为突发头分组b h p ， b h p 中包含所有必要的控制信息，如突发发长度、偏置时间、波长信息和路由信 息等，具体帧格式目前尚未标准化，在实际应用中可以根据需要灵活变动。 b h p 与b u r s t 在物理信道和时间上均是分离的：即在物理信道上一般为同一光 纤中的不同波长，在时间上控制分组提前于突发数据分组一段时间，即偏置时间 ( o f f s e tt i m e ) 。它们通过核心节点时各自在电域和光域交换。o b s 主干网的每一 跳的交换控制单元根据b h p 携带的信息来配置光交换矩阵，以便在光域交换 b u r s t 。b u r s t 和b l i p 独立传输和交换不仅有助于对头标进行电处理，降低光核心 路由器光电转换的需求，而且可以提供入口到出口的透明光通路来传输b u r s t 。 2 第一章绪论 1 2 2o b s 技术的优点 通过上一节对o b s 技术原理的分析可以得出o b s 的主要优点为： 从不同源端到不同宿端的突发分组可以利用统计复用的方式，有效地利用 链路上相同波长的带宽，带宽使用效率较高。 b h p 和b d p 的分离，有效降低了核心节点的复杂度和对光器件的要求。 核心节点可以不需要缓存，降低了系统的同步要求。 单向资源预留机制缩短了等待时延。 交换容量大，可以达到t b i t s 级的交换容量。 基于以上的优点，o b s 技术有着前景广阔的应用价值，可主要应用于不断发 展的大型城域网和广域网，可以支持传统业务，如电话、s d h 、a t m 等，也可以 支持i p 、f d d i 和未来具有较高突发性和多样性的业务，如数据文件传输、网页浏 览、视频点播、视频会议等应用。 1 3国内外研究动态 自1 9 9 7 年c q i a o t 5 】提出o b s 理论以来，国外关于o b s 的研究方兴未艾。典 型的研究包括：美国纽约州立大学b u f f a l o 分校的q i a o 等对o b s 经过比较深入的 研究，提出了一种j e t 【6 】( j u s t e n o u g h t i m e ) 信令协议，并研究了基于该协议的核 心节点的结构和性能。该协议能在w d m 层实现基本的区分服务，支持一定的服 务质量( 仅以突发丢包率为q o s 参数) 。该小组还开展了o b s 交换中的组播和 m p l s t 7 1 ( 多协议标签交换) 在o b s 交换中的运用研究，提出了m p l s 与o b s 相 结合的方案一标签光突发交换( l o b s ) 。为了降低复杂性，y w e i 等建议采用j i t g l ( j u s ti nt i m e ) 信令协议，j r r 协议提供尽力而为的服务，不支持w d m 层的q o s 。 英国伦敦大学学院( u c l ) 的p 。b a y v e l 等人提出了一种波长路由光突发交换 ( w r - 0 b s ) 方案，并对其性能进行了研究，该方案以波长路由为基础，更接近电 路交换的概念，可以提供有服务质量( q o s ) 保证，但网络的灵活性和带宽利用率 低，而且虽然原理上可以以波长为标签实现m p l s ，但由于涉及到对波长的操作， 一些g m p l s 操作难以实现。阿尔卡特研究中心的x i o n g 等人研究了o b s 网络的 控制结构和数据信道调度算法。从事这方面的研究还有美国德克萨斯大学、伊利 诺斯州技术学院、意大利的罗马大学等。国内一些大学和研究机构，如北京邮电 大学，上海交大近年来也开展了相关预研工作。目前的研究主要课题集中在：资 3 电子科技大学硕士学位论文 源预约方案，冲突处理，仅以突发丢包率为参数的o b s 层的q o s 支持，边缘路由 器的突发会聚机制及o f f s e t - t i m e 管理、网络核心节点交换结构和控制管理、控制 数据信道的调度算法等。以下分别介绍。 1 3 1o b s 资源预约方案和信令 o b s 网络中，数据突发与信令( 控制分组) 是分离的。不仅采用不同的信道， 而且时间上也是分离的，源端先发送b h p ，然后间隔一段时间后，发送b u r s t ，这 段时间称为偏移时间( o f f s e tt i m e ) 。目前提出的各种预约方案最主要的区别在于如 何判断突发的结束，以及如何确定某个新突发占用相应资源( 通常情况下应包括 信道上的波长资源和交换结构中的缓存资源) 的持续期间。 图1 2 给出了几种预约方案，以及相应的信令流程示意图。图中示意了突发经 过o b s 交换机的情况。每个突发发送前，先在一个独立的信道中通过控制分组发 送一个s e t u p 消息；在某些方案中还需要在突发结束时发送一个r e l e a s e 消息。 下面分别描述这几种方案： 方案1 ：e x p l i c i ts e t u pa n de x p l i c i tr e l e a s e 。当s e t u p 消息到达时，立刻对交换 模块进行相应的配置，包括对交叉矩阵的设置以及对输出波长的预约。这一配置 直到收到r e l e a s e 消息时释放。 方案2 ：e x p l i c i ts e t u pa n de s t i m a t e dr e l e a s e 。s e t u p 消息中要携带突发的持续 时间信息。与方案1 不同的是，方案2 不需要r e l e a s e 消息来标志突发的结束。 突发的结束根据s e t u p 消息的到达时刻与突发的持续时间来估计。 方案3 ：e s t i m a t e ds e t u pa n de x p l i c i tr e l e a s e 。该方案与方案2 刚好相反。估计 的是突发的开始时刻，而突发的结束用r e l e a s e 消息来标志。 方案4 ：e s t i m a t e ds e t u pa n de s t i m a t e dr e l c a s e 。突发的开始和结束时刻都根据 s e t u p 消息中的信息来估计。 4 第一章绪论 图1 2 几种信令方案的示意图 1 3 2o b s 的冲突处理机制( c o n t e n t i o nr e s o l u t i o n ) 当多个突发数据同时要到同一输出端口的同一波长上，形成外部阻塞。外部 阻塞的处理是对提高o b s 系统的性能具有重大的意义，一直是研究的热点。目前 提出的冲突解决机制主要有：光缓存；波长变换；偏折路由( d e f l e c t i o n r o u t i n g ) ： 突发数据分割( b u r s ts e g m e n t a t i o n ) ，以下对这几种方案做出简要的说明和比较 1 3 2 1 光缓存 在光域中，没有可用的光r a m ，因此，光交换中不可能完全采用电域中的交 换机制。光缓存的一种可选方案是用光纤延迟线( f d l ) 。在一定程度上能减少光分 组突发的丢包率。但是，光缓存的一个主要问题就是它的功率损耗。为了补偿功 率损耗，不得不引入光信号放大或光信号再生，前者会引入噪声，后者成本太高。 总的来说，引入f d l ，将大大增加光交换的成本。 5 电子科技大学硕士学位论文 1 3 2 ，2波长变换 光网络还有另外一个域，即波长域。在使用波长变换的系统中，如果发生两 个或多个光分组突发竞争，其中一个分组突发直通，另一个或其它几个分组突发 还是交换到同一个输出端口，但是用不同的波长。这种解决方案在竞争分组的延 迟方面是最佳的，它不会引入附加延时。这种方法适合于电路交换，也适合于光 分组突发交换网络，但需要快速可调谐变换器。最近研究结果表明，它在分组交 换光网络中是一种最有潜力的可选方案之一。它能最有效地降低光分组突发的丢 包率，特别是应用于多波长d w d m 系统，因此快速可调波长交换器是目前研究的 热点。 1 3 2 3 偏射路由 因为光缓存还有几个问题难以解决，所以尽量少用或不用。偏射路由是在没 有缓存可用时的另一种解决方案。当竞争发生时，分组突发不能交换到正确的输 出端口，将它路由到另一个可选输出端口，有可能通过另一条路径到达目的节点。 当网络规模比较小，且它的连通性比较好，即这些节点都有很多相邻节点时，这 种方式的效果还不错的。但是，如果网络的连通性不好，这些被偏射的分组突发 将很可能无法到达目的节点。因为这些分组突发在网络中游弋消耗了大量资源， 但无法到达目的节点。很显然，在这种情况下，其它解决方案会起到更好的效果。 此外，偏射路由方案只能适用于网络负载比较轻的场合，若平均流量负载比 较重，偏射路由的分组只能降低网络的效率。偏射路由方案可以进行改进，只允 许使用某些端口，如果分组不能找到一条合理的路由到达目的节点，即使有空闲 的端口它也将被阻塞。 1 3 2 4突发数据分割( b u r s ts e g m e n t a t i o n ) 突发数据可以分成多个数据段( s e g m e n t s ) ，当冲突时，并不丢掉整个突发数 据，而仅仅是丢掉冲突的( 重叠的) 数据段。此外可以结合偏折路由来解决冲突， 可以偏折冲突突发数据，或者仅仅偏折重叠的数据段。这种方式可以降低分组丢 失率，提供性能。 1 4 主要工作和论文内容安排 本论文主要有两部分工作：第一部分为t o m s 交换结构在o b s 核心节点的应 6 第一章绪论 用，分析了当前o b s 核心节点结构的特点，提出了一种类t o m s 的新型核心节点 结构，并在o p n e t 仿真工具下比较的各核心节点结构的性能；第二部分为t o m s 交 换网络中单节点设计改进，对t o m s 交换网络中微片的大小进行了分析，提出了入 口缓存的动态管理方案，并利用m o d e l s i m 、i s e 等e d a 工具进行了功能验证。 论文的第一章简要介绍了o b s 技术的产生背景，基本原理和国内外研究动态。 论文的第二章介绍几种典型的o b s 核心节点结构，并对每种结构特点作了简 要的概述。 论文的第三章详细叙述了类t o m s 的核心接点交换结构的设计过程、设计中所 遇到的各种问题以及解决办法，给出了原理图以及调度流程。 论文的第四章通过o p n e t 仿真比较了各种交换结构的性能及成本。 论文的第五章介绍了t o r u s 交换网络的单节点的设计，对微片大小进行了分 析，并对入端口缓存的设计提出了一些改进方案。 第六章为全文总结。 7 电子科技大学硕士学位论文 第二章o b s 核心节点交换结构分析 2 1o b s 交换结构概述 在o b s 网络中，突发数据( b u r s t ) 可以看作是由一些口分组组成的超长分 组，而这个超长分组的分组头就是突发数据的控制分组( b u r s th e a d e rp a c k e t ， b h p ) 。与传统分组交换不同的是，b h p 与突发数据包在物理通道上是分离的，在 d w d m 传输系统中，可以采用一个( 或多个) 专门的波长作为控制通道，用于传 送b h p ，而把其他的波长作为数据通道。b h p 与突发数据一一对应，在边缘节点 设置b h p 与突发数据包之间的偏移时间( o 舔e tt i m e ) ，即边缘节点发送b h p 与发 送相应突发数据之间的间隔时间。b h p 中包含突发数据的有关信息，如偏移时间、 突发长度、数据通道( 波长) 等。b h p 在中间节点转换为电信号进行处理，包括 路由的确定、资源的预约以及交换矩阵的配置等，保证当突发数据到达时相应的 数据通道已经配置好，从而实现数据在光域的透明传输。 从完成的功能来看，b h p 与传统电路交换网络中的信令非常相似，正是在这 个意义上，b h p 也被称为信令消息。但与传统信令不同的是，o b s 的信令不必等 待目的端的反馈确认，换句话说，o b s 的资源预约是单向的。也正是这种“单向预 约”机制减小了连接建立延迟，提高了信道利用率。 一个o b s 网络主要由边缘节点、核心节点和d w d m 链路构成。其中边缘节 点负责对数据分组进行缓存和封装，组合成突发数据，然后发送给与之最邻近的 o b s 核心节点。封装时边缘节点生成描述突发数据特性的b h p 分组，先于突发数 据在特定的控制通道上发送。核心节点根据控制通道上收到的b h i 分组，可以得 知突发数据的到达时间、持续时间、目的地址等控制信息，并根据这些信息完成 对光路的配置，保证数据的透明通道。 在o b s 核心节点，当多个突发数据同时要交换到同一输出端口的某个特定波 长通道上去的时候，会产生“冲突”。此时为防止数据丢失，在交换结构设计上主要 采用波长变换器( t u n a b l ew a v e l e n g t hc o n v e r t e r ，简称t w c ) 和光缓存。其中， 波长变换是指可以把输入的任波长转换到任意其它波长，这种变换必须在电信 号的控制下完成。当存在多个相同波长的信号要同时交换到同一输出端口的同一 波长时，可以分别将冲突信号变换到这个输出端口中其它的空闲波长上，从而避 8 第二章o b s 核心节点交换结构分析 免了冲突。 2 2主流核心节点交换结构 2 2 11x p m x p m 前馈连接 如图2 1 ，这是前馈连接的一种典型方案【9 10 0 1 q ，该结构有尸个入端1 ：3 对应 到p 个出端口，每个端口有m 个波长，采用了1 个p m x p m 规模的交换阵，即该 交换阵包含p m 个入端口和p m 个出端口。交换阵的每个入端口都共享一个f d l 光缓存池，在f d l 光缓存池的前面的每个入口和后面的每个出口都配有t w c ，数 据包不仅可以选择任意空闲的波长从交换平面出口输出，还可以选择入端口对应 的交换平面的任意一个入口进入交换阵，由于同时有f d l 池和t w c ，数据包不仅 可以从入端口对应的任何一个交换阵入口进入交换阵，而且还可以使用出端口上 任何空闲的波长。图2 2 的结构为每个波长采用专用f d l 缓存的结构。它减少了 t w c 的使用数量。 f d l 构造 图2 1 前馈连接，入端口共享f d l 缓存池 9 电子科技大学硕士学位论文 p m x p m 图2 - 2 前馈连接，入端口采用专用f d l 1 p m p m 前馈连接缺点： 1 、采用了大量的昂贵t w c ，成本太高； 2 、采用单平面的交换矩阵结构难以实用于大规模的全光交换，不具有良好的 扩展性； 3 、采用入端口缓存的方式还存在队头阻塞的问题。 2 2 2 反馈连接 反馈连接的方式比较单一，如图2 - 3 ，其工作方式就是将发生冲突的数据包通 过反馈端口进入缓存池或t w c 池进行冲突规避后在进入到交换矩阵的如端口进 行交换。这种连接方式的好处在于f d l 和t w c 能有效的被所有波长共享且能进 行多次这样的反馈调度1 2 】 1 3 1 1 1 4 1 ，相比于前馈连接的方式它减少了光器件的数量。 1 0 第二章o b s 核心节点交换结构分析 图2 3 反馈连接 反馈连接的缺点： 1 、这种交换结构要想获得良好的性能需要增大反馈的端口数量。这将相应增 大了交换矩阵的规模，大大增加了成本； 2 、其反馈的次数不能过大，这是因为反馈次数过多会使得光信号能量不足， 而且过多的反馈将不再会减少冲突的概率。 2 2 3m x p p 交换结构 在文献【l l 】中提到了一种多平面的交换结构，如图2 4 ，该结构有p 个入端口和 ，个出端口，交换阵采用了多平面的交换结构，它由m 个p x p 的小交换矩阵所组 成，其工作原理为：每个波长都通过解波分复用器分解到个波长交换平面上进 行交换。交换平面的前面每个入端口都共享一个f d l 光缓存池，以解决交换矩阵 的出口冲突。f d l 缓存池前面为每个波长配置了一个t w c ，以解决缓存池中的波 长冲突。图2 5 的结构和图2 4 的唯一不同之处在于f d l 缓存的使用方式不一样， 图2 5 中是为每个波长提供一组专用的多级f d l 来解决冲突，f d l 前面配置的 t w c 则能够在波长域解决出端口的波长冲突。 电子科技大学硕士学位论文 图2 4 多平面连接 图2 - 5m x p p + t w c + f d l 结构示意图 m x p xp 交换结构的缺点： 该方案从结构上来讲资源比较节省，但是整个交换结构的冲突域比较多且解 1 2 第二章o b s 核心节点交换结构分析 决的措施较少： 1 、对于如图2 5 所示的结构t w c 仅能在波长域解决出端口冲突，而f d l 缓 存则主要在时间域解决交换矩阵的出口冲突，每个冲突域都只有一种解决方案， 因此其解决冲突的能力较差。 2 、对于图2 - 4 来说，t w c 和f d l 缓存池能够在波长和时间域有效解决交换 矩阵出口冲突，但对出端口的冲突则没有提供专用的解决措施。 电子科技大学硕士学位论文 第三章类t o u r s 的新型核心节点交换结构 核心节点中影响o b s 性能的因素较多，比较关键的因素主要有：核心交换模 块的结构、调度算法和冲突解决方法等，这些因素相互联系紧密。由于缺乏与电 缓存部件相对应的光缓存器件( 从逻辑上来讲，光纤延迟线不能等效于缓存) ，0 b s 核心节点的冲突解决方案的设计面临更大的挑战。核心交换模块结构设计中最核 心的问题是如何在保持性能的条件下最大限度的降低核心交换模块的成本，本章 将介绍一种类t o r u s 新型的核心节点交换结构，该结构和以上交换结构相比，不仅 使用了较少的f d l 和合波器资源，而且达到了很好的交换效果。 当前交换结构中，普遍存在着空分交换平面规模难以做大，f d l 共享率不高 的问题，因此我们的目标就是在保证交换性能的条件下最大限度的减少核心交换 模块的规模，设计能够实用化的交换结构。 3 1 环型f d l 设计 3 1 1f d l 的基本结构 f d l 的基本结构如图3 1 所示。( a ) 为单输出定长f d l ，只有一个输出；每 级延迟都相同，需使用2 x 2 光开关，实现比较简单，但是后续到达的数据必须跟 随前一个，存在队头阻塞问题。( b ) 为单输出变长f d l ，只有一个输出；每级延 迟不相同，也使用2 x 2 光开关，也有头阻塞问题，但实现相同延迟时所需要的级 数小于图( a ) 的结构。( c ) 为多输出定长f d l ，由一个合波器、k 级l 2 的光 开关、以及延迟光纤构成。k 为光开关个数，也称为最大延迟级数；每级1x 2 光 开关都有2 路输出，其中l 路经延迟光纤后与下一级光开关的入口相连，另1 路 直接与f d l 出端口的合波器相连。由于f d l 的输出端为合波器，因此允许多个波 长的数据输出。每级延迟光纤长度都是相同的，其延迟时间称为单位延迟d ，f d l 的最大延迟时间为d - 一k d 。通过合适地配置这置个1 2 光开关，f d l 可取集合f o ， d ，2 d ，k d 中的任何一个值作为延迟时间。这种f d l 有多个输出，且每级延 迟相同，使用l 2 光开关，开关的一个输出接下一级延迟，另一个输出接合波器， 这样可以解决